氣田壓裂返排液微渦流混凝處理效果分析

范 婧 劉 寧 朱 妍 李 巖 蔣繼輝

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

壓裂作業(yè)是油氣井增產(chǎn)的主要措施之一，其產(chǎn)生的壓裂返排液量大，且由于返排液中殘存著高分子聚合物、溶解性有機(jī)物及返排時(shí)所帶出地層中的泥沙、鹽水等，致使其成分復(fù)雜多變，處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害[1-3]。當(dāng)前長(zhǎng)慶油田壓裂返排液處理主要采用混凝工藝，且針對(duì)油氣田處理規(guī)模小、區(qū)塊分散的特點(diǎn)，采用撬裝化移動(dòng)處理裝置，解決了區(qū)域環(huán)境污染、壓裂返排液不落地的問(wèn)題[4-6]。傳統(tǒng)混凝處理藥劑用量大、混凝不徹底，有研究者發(fā)現(xiàn)微渦流混凝通過(guò)“渦流凝聚、接觸絮凝”的作用，能夠提高混凝效果、降低藥劑投加量[7]。該工藝已在市政污水處理廣泛應(yīng)用[8]，但在處理壓裂返排液方面應(yīng)用較少。

本次研究采用撬裝微渦流混凝裝置處理氣田壓裂返排液，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)混凝處理劑種類(lèi)、投加量、攪拌時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，并對(duì)處理劑在設(shè)備中的投加位置進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)氣井壓裂返排液不落地處理提供依據(jù)。

1 氣田壓裂返排液特點(diǎn)和處理工藝

1.1 返排液水質(zhì)特點(diǎn)分析

本次在長(zhǎng)慶油田某氣井井場(chǎng)開(kāi)展了胍膠壓裂返排液現(xiàn)場(chǎng)處理試驗(yàn)，返排液水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，各種添加劑使壓裂返排液具有懸浮物含量高、黏度高的特點(diǎn)。

表1 氣田壓裂返排液水質(zhì)指標(biāo)

1.2 微渦流混凝工藝流程

試驗(yàn)采用以撬裝微渦流裝置為主的處理工藝，見(jiàn)圖1。

圖1 氣田壓裂返排液處理工藝流程

該處理工藝主要由管道混合、微渦流混凝、過(guò)濾等3個(gè)主要工序組成，主要是降低返排液黏度，除懸浮物、離子等，使處理后的出水達(dá)到合理使用點(diǎn)。

2 材料與方法

2.1 藥品與儀器

藥劑：聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合硅酸鋁鐵(PSAF)、膨潤(rùn)土、聚丙烯酰胺(PAM)。

儀器：便攜式濁度儀、便攜式紅外測(cè)油儀、攜式pH計(jì)等。

2.2 試驗(yàn)方法

混凝處理劑的篩選、投加量及攪拌時(shí)間確定試驗(yàn)在500 mL的燒杯中進(jìn)行，分別加入不同處理劑，均勻攪拌，靜置后，對(duì)上清液進(jìn)行分析。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)部分采用撬裝微渦流裝置，對(duì)裝置進(jìn)水、出水進(jìn)行采樣分析。

pH值、含油、黏度測(cè)定采用便攜式儀器。懸浮物測(cè)定一般采用重量法，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件限制，為了快速評(píng)價(jià)處理劑混凝效果，以濁度表征水質(zhì)處理效果[7]，采用便攜式濁度儀測(cè)定濁度。

3 結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑篩選

PAC、PFS、PAFC、PSAF等4種絮凝劑的混凝效果見(jiàn)圖2。

圖2 不同絮凝劑的混凝效果

由圖2可知，4種絮凝劑的處理效果為：PAC的處理效果最好，固液分層明顯且上清液濁度較低，優(yōu)于PFS和PAFC，而PFS處理效果最差。

3.2 PAC投加量確定

不同劑量PAC的混凝效果見(jiàn)圖3。

圖3 PAC投加量對(duì)混凝效果的影響

隨著PAC投加量的增加絮體量增多，聚結(jié)程度不斷加大，由圖3可知，PAC投加量為500 mg/L時(shí)，上清液濁度最低。但當(dāng)PAC投加量繼續(xù)增加時(shí)，絮體開(kāi)始變得松散，沉降速度顯著變慢，上清液變濁。

3.3 膨潤(rùn)土加量對(duì)混凝效果的影響

氣田壓裂返排液混凝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生絮體小、難于沉降，沉降時(shí)間須1 h以上，且上清液出水量小，僅占30%～40%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在返排液中添加膨潤(rùn)土，可以加快絮體沉降。因此，試驗(yàn)將不同比例的膨潤(rùn)土加入PAC，混凝效果見(jiàn)表2。

表2 膨潤(rùn)土加量對(duì)混凝的影響

由表2可知，加入膨潤(rùn)土后能有效降低混凝的沉降時(shí)間，這是由于膨潤(rùn)土具有良好的吸附性和較高的密度，能使懸浮固體、有機(jī)物及油類(lèi)吸附到黏土顆粒表面，促進(jìn)絮體形成，提高絮體密度，加快絮體沉降[9]。當(dāng)膨潤(rùn)土與PAC復(fù)配比例為1∶1時(shí)，沉降時(shí)間最短，約24 s，比單獨(dú)使用PAC沉降時(shí)間縮短60%。因此，試驗(yàn)采取在混凝前，將PAC和膨潤(rùn)土按1∶1的比例混合溶解后添加至返排液中。

3.4 PAM投加量確定

不同劑量PAM的混凝效果見(jiàn)圖4。

圖4 PAM投加量對(duì)混凝效果的影響

由圖4可知，隨著PAM投加量的增加，上清液濁度先降低后增加，最佳投加量為20 mg/L。當(dāng)投加量不足時(shí)，不足以將產(chǎn)生的絮體聚結(jié)起來(lái)，絮體較?。划?dāng)投加量過(guò)多時(shí)，由于PAM水解后形成丙烯酰胺和丙烯酸鹽的共聚物，一些酰胺基帶有負(fù)電荷，水解度過(guò)高會(huì)對(duì)PAC的絮凝產(chǎn)生阻礙作用，使得絮體量多且松散，增加了上清液濁度。

3.5 助凝劑攪拌時(shí)間確定

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌時(shí)間對(duì)混凝效果影響較大，助凝劑攪動(dòng)時(shí)間在壓裂返排液處理過(guò)程中的影響見(jiàn)表3。

由表3可知，助凝劑投加后攪拌時(shí)間為1 min時(shí)，攪拌強(qiáng)度最適宜，形成絮團(tuán)最大，且絮團(tuán)下沉速度最快。攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，形成的絮團(tuán)又被攪拌器沖散，無(wú)法實(shí)現(xiàn)絮團(tuán)快速下沉。

表3 助凝劑投加后攪拌時(shí)間分析

3.6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.6.1 混凝處理劑投加位置確定

采用撬裝微渦流裝置處理壓裂返排液時(shí)，混凝處理劑投加位置、時(shí)間對(duì)處理效果的影響見(jiàn)表4。

表4 混凝處理劑不同投加位置效果對(duì)比

由表4可知，在管道混合器處投加PAC+膨潤(rùn)土、在攪拌罐處投加PAM，混凝劑與返排液反應(yīng)時(shí)間更加充足，沉降時(shí)間約20 min，混凝沉降效果最好。由此可見(jiàn)“管道混合器+微渦流混凝器+攪拌罐”的處理工藝處理效果最好。

3.6.2 處理效果

在長(zhǎng)慶油田某氣井井場(chǎng)采用撬裝微渦流裝置對(duì)3口井進(jìn)行處理，處理后水質(zhì)見(jiàn)表5，其中SS、油類(lèi)的去除率達(dá)到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

表5 氣田壓裂返排液處理后水質(zhì)指標(biāo)

4 結(jié) 論

1)撬裝微渦流混凝裝置處理工藝為“管道混合器+微渦流混凝器+攪拌罐”，處理后水質(zhì)SS、油類(lèi)的去除率達(dá)到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

2)絮凝劑的混凝效果為PAC>PFS>PAFC>PSAF；當(dāng)膨潤(rùn)土與PAC復(fù)配比例為1∶1，投加量為500 mg/L時(shí)，混凝效果最好。助凝劑PAM的最佳投加量為20 mg/L，最佳攪拌時(shí)間為1 min。

3)采用撬裝微渦流混凝裝置處理氣田壓裂返排液時(shí)，在管道混合器處投加PAC+膨潤(rùn)土、在攪拌罐處投加PAM，混凝沉降效果最好。

4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著氣田壓裂返排持續(xù)進(jìn)行，返排液存放時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化、處理難度增加，建議優(yōu)先開(kāi)展返排液量大的井施工，隨井作業(yè)廢液處理需提前1～2 d施工，防止水質(zhì)惡化；同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究水處理方法及藥劑，以解決返排液長(zhǎng)時(shí)間存放水質(zhì)惡化的問(wèn)題。